2025年大学《地球化学》专业题库- 地球化学与生物地质学的交叉研究

2025年大学《地球化学》专业题库——地球化学与生物地质学的交叉研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项字母填在题干后的括号内）1.以下哪项不是生物活动显著影响地球化学循环的主要方式？A.光合作用导致大气中氧含量增加B.微生物分解有机质释放二氧化碳C.化能合成细菌改变海底硫的化学形态D.植物根系吸收固定岩石中的硅元素2.在光合作用过程中，水被光解产生氧气，同时释放的H+和电子用于还原二氧化碳。此过程导致哪些同位素分馏？A.δ¹³C植物组织>δ¹³C大气CO₂B.δ¹⁵N植物组织>δ¹⁵N微生物C.δ¹⁸O海水>δ¹⁸O冰芯中的气泡水D.δ¹³C有机质>δ¹³C岩石中的碳酸盐3.叠层石是重要的古环境指示矿物，其主要形成机制通常与哪种微生物活动密切相关？A.异养细菌的化学沉积作用B.蓝细菌（Cyanobacteria）的光合放氧作用和生物矿化C.藻类的浮游生物活动D.古菌在极端环境下的沉积作用4.发现某沉积岩中存在丰富的生物标志物——长链烷烃，且其碳数分布呈现明显的奇数优势，这最可能指示了哪种古代微生物群落？A.以蓝细菌为主的产氧光合生物群落B.以绿硫细菌为主的厌氧光合生物群落C.以产甲烷古菌为主的厌氧消化群落D.以甲烷氧化细菌为主的产甲烷环境5.利用有孔虫壳的氧同位素组成（δ¹⁸O）重建古温度时，如果测得古海洋沉积物中同位素值普遍偏高，除了全球变冷之外，还可能是什么原因？A.海水盐度显著升高B.冰川融化，大量淡水注入海洋C.有孔虫偏好吸收较重的同位素D.海洋表层与深层水体混合加剧6.放射性同位素¹⁴C用于测定近期地质事件的年龄，其半衰期约为5730年。以下哪个过程是¹⁴C在生物圈和大气圈中产生并循环的关键环节？A.中子轰击地球大气层中的氩-40B.太阳风高能粒子与大气层中的氮-14发生核反应C.地幔深部放射性元素衰变产生的氦气D.生物对地表水体中溶解放射性同位素的吸收7.某研究团队分析了南极冰芯中包裹的气泡，发现其δ¹³C值显著低于现代大气CO₂。这一发现最有力地支持了哪种科学假说？A.工业革命前大气CO₂浓度远高于现代B.冰期时海洋生物光合作用吸收了更多碳C.冰期时大气环流模式与现在存在显著差异D.冰期时土壤有机碳大量释放到大气中8.在土壤发育过程中，原生矿物分解形成的黏土矿物，其层间阳离子种类发生变化，这反映了地球化学中的哪个过程？A.元素的光谱迁移B.生物风化与化学风化的协同作用C.同位素的交换反应D.矿物的相变9.研究人员发现某地热沉积物中存在丰富的硫同位素分馏（δ34S），且硫化物的硫同位素值远低于周围水体。这最可能暗示了存在哪种地球化学环境？A.厌氧硫酸盐还原环境B.具有强氧化能力的化学沉积环境C.以化能合成作用为主的微生物群落D.物理性沉积环境，如盐湖蒸发10.地球化学与生物地质学的交叉研究，其最终目标之一是？A.精确测定地球形成的时间B.明确所有生物的遗传密码C.揭示生命起源的化学基础及其与行星环境的耦合机制D.完全模拟自然界的所有生物地球化学循环二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.生物的同化作用（Assimilation）过程中，碳通常以______和______的形式被固定。2.叠层石的形成通常伴随着强烈的______作用和______的沉积。3.利用______同位素组成变化可以推断古气候的温度变化，而______同位素则常用于示踪水循环过程。4.生物标志物作为______的指示矿物，其分子结构保留了古生物信息。5.在缺氧水环境中，硫酸盐还原菌会将硫酸盐（SO₄²⁻）还原为______或______。6.地球化学中的______原理指出，在开放系统中，元素倾向于从高浓度区域迁移到低浓度区域，同时伴随着能量交换。7.通过分析不同沉积物中______的地球化学特征，可以重建古海洋的盐度变化。8.稳定同位素分馏的______效应是指温度对同位素分馏程度的影响。9.生活在不同环境中的生物，其同位素组成会因生理代谢而产生差异，这被称为______。10.______和______是地球化学与生物学交叉研究中常用的两种同位素示踪方法。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述光合作用对碳同位素分馏的影响机制。2.生物活动如何在沉积物中形成“化学障”，影响元素的保存？3.解释什么是生物地球化学循环，并举例说明其中一个循环中生物过程的关键作用。4.简述使用放射性同位素¹⁴C进行年代测定的基本原理及其适用范围限制。四、论述题（每题10分，共20分）1.论述稳定同位素地球化学技术在重建古环境（如古温度、古盐度、古pH、水来源等）中的应用原理、主要依据和可能存在的局限性。2.结合实例，论述生物活动如何影响地球化学循环，并分析这些影响对沉积记录的改造作用。五、计算题（共20分）1.某研究者测定了现代大气CO₂（δ¹³C=-7.6‰vsVPDB）和某热带雨林中生长的树木年轮（δ¹³C=-26‰vsVPDB）。假设该树木通过光合作用固定大气CO₂，且光合作用过程中碳同位素分馏因子（Δ=4‰）基本不变。请根据这些数据，估算该树木光合作用固定的CO₂相对于现代大气CO₂是富集了还是贫化了碳-13？富集或贫化的具体值是多少？试卷答案一、选择题1.D2.A3.B4.C5.B6.B7.B8.B9.C10.C二、填空题1.有机物，CO₂2.化学沉积，生物成矿3.氧，氢4.古生物活动5.硫化氢，硫酸盐6.能量最小化7.有孔虫壳8.分馏9.生物效应10.稳定同位素，放射性同位素三、简答题1.解析思路：光合作用过程中，CO₂被固定时，碳-13（¹³C）相对碳-12（¹²C）被优先排除，因为¹³C与酶的亲和力略低于¹²C。这使得被固定的有机物（如葡萄糖）富集了¹²C，导致生物组织或生物成因矿物的δ¹³C值低于其来源的CO₂。分馏程度受温度、CO₂浓度等因素影响。2.解析思路：生物活动可以改变沉积环境的氧化还原条件、pH值、微生物群落结构等。例如，硫酸盐还原菌活动会消耗氧气，产生硫化氢，降低铁的氧化态，形成硫化铁沉淀，从而将铁元素“障”住，使其被保存下来，而周围环境中的其他元素（如易被氧化的锰）可能因此被淋滤去除。3.解析思路：生物地球化学循环是指元素在生物圈、岩石圈、水圈和大气圈之间进行迁移和循环的过程。生物过程是驱动这些循环的重要动力。例如，在碳循环中，植物通过光合作用将大气CO₂固定为有机物，动物摄食植物，微生物分解有机物，整个过程受生物活动调控。4.解析思路：¹⁴C是在大气中由中子轰击氮-14产生的放射性同位素，它参与大气CO₂的循环，被生物吸收进入有机物。当生物死亡后，其体内的¹⁴C停止吸收，开始衰变。通过测量样品中剩余的¹⁴C含量，并根据其已知的半衰期（约5730年），可以推算出样品的死亡年龄。适用范围主要受限于其半衰期（约几万年），适用于测定年龄较轻（通常小于50万年）的样品，且样品必须曾经活过，且样品在死亡后未受到额外的¹⁴C或放射性污染。四、论述题1.解析思路：稳定同位素分馏是指在物理或生物地球化学过程中，不同同位素之间的相对丰度发生差异。不同环境因素（如温度、盐度、pH、水相、生物代谢等）会引起特定元素（如C,O,H,S）同位素分馏，导致最终沉积物或生物组织中的同位素组成（以δ值表示）不同于其来源物。通过建立已知环境条件下的同位素分馏理论或实验关系（分馏方程），可以将样品的δ值换算为对应的环境参数信息。例如，氧同位素分馏与温度密切相关（温度越高，分馏越小）；碳同位素分馏可指示有机质的来源和代谢类型；硫同位素分馏可指示沉积环境的氧化还原条件。局限性在于：①分馏关系可能受多种因素叠加影响，解释时需谨慎；②需要准确了解样品的来源和形成过程；③实验测定存在精度限制；④生物效应可能导致分馏机制复杂化。2.解析思路：生物活动深刻影响地球化学循环。例如，光合作用固定CO₂，改变大气和海洋碳化学；呼吸作用和分解作用释放CO₂和H₂O，参与碳循环；微生物活动（如硫酸盐还原、硝化作用、铁锰氧化还原）改变元素（S,N,Fe,Mn）的化学形态和迁移路径；生物成矿作用（如形成叠层石、生物成因碳酸盐）沉淀和固定大量元素（C,Ca,Mg）。这些生物过程不仅改变元素的总量和通量，还影响元素的分布和最终在沉积物中的保存形式，从而改造了沉积记录。例如，强化的有机质分解会加速硅质的溶解；特定微生物群落可能导致高品位硫化物矿床的形成。五、计算题1.解析思路：根据马加斯定律（MagasLaw），光合作用分馏可以表示为：δ_P=δ_C+Δ-δ_A，其中δ_P是光合产